Вселенная: что это такое, описание, строение, происхождение, фото и видео

Введение

Никто в семнадцатых,
восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых
столетиях, не считал, что Вселенная могла
развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн
оба пропустили шанс предсказания, что
Вселенная могла бы или сокращаться, или
расширяться. Нельзя действительно ставить
это против Ньютона из-за того, что он жил
двести пятьдесят лет перед открытием
расширения Вселенной. Но Эйнштейн должен
был знать это лучше. Когда он сформулировал
теорию относительности, чтобы проверить
теорию Ньютона с его собственной специальной
теорией относительности, он добавил так
называемую «космическую константу».
Она представляла собой отталкивающий
гравитационный эффект, который мог бы
балансировать эффект притяжения материала
во Вселенной. Таким образом, было возможно
иметь статическую модель Вселенной.

Эйнштейн позже сказал: «Космическая
константа была величайшей ошибкой моей
жизни». Это произошло после наблюдений
отдаленных галактик Эдвином Хабблом
в 1920 году и показало, что они перемещаются
далеко от нас, со скоростями, которые
были приблизительно пропорциональными
их расстоянию от нас. Другими словами,
Вселенная не статическая, как прежде
было принято думать: она расширяется.
Расстояние между галактиками возрастает
со временем.

Как получить гражданство Германии?

Что было до появления Вселенной

Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?

Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный пытался понять природу Бога до сотворения Вселенной. И знаете, к чему он пришел? Время было частью Божьего творения и просто не было никакого «до».

Один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пришел практически к таким же выводам в разработке своей теории относительности

Достаточно обратить внимание на влияние массы на время. Гигантская масса планеты искажает время, заставляя его течь медленнее для человека на поверхности, нежели для космонавта на орбите

Разница слишком мала, чтобы быть очевидной, но на самом деле человек, стоящий у большого камня, стареет медленнее, чем тот, кто стоит в поле. Но чтобы стать моложе на секунду, понадобится миллиард лет. Сингулярность до большого взрыва обладала всей массой вселенной, что, фактически, ставило время в тупик.

По теории относительности Эйнштейна, время появилось на свет ровно в тот момент, когда сингулярность начала расширяться и вышла за пределы сжатой бесконечности. Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна развитие квантовой физики и множество новых теорий возобновили споры о природе Вселенной до Большого взрыва. Давайте посмотрим.

Браны, циклы и другие идеи
«А Бог плюнул, ушел и хлопнул дверью,
Мы были за ним — а дверей уже нет».
А. Непомнящий

Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва: космический микроволновый фон.

Впервые астрономы зафиксировали реликтовое излучение в 1965 году, и оно породило определенные проблемы в теории большого взрыва — проблемы, которые заставили ученых ненадолго (до 1981 года) заморочиться и вывести инфляционную теорию. Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.

Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)

В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.

Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.

Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв. Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.

Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.

Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.

published on
according to the materials

3.3. Фотонная эра.

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 1010K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

 Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 см3, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hν всех фотонов, присутствующих в 1 см3, то мы получим плотность энергии излучения Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 см3 является средней энергией вещества Em во Вселенной.

 Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно «устают» со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em). Преобладание во Вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие, то есть (Er=Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период «Большого взрыва». Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

Строение Вселенной

Гипотезы о строении и эволюции Вселенной выдвигались еще в античности. Уже когда появилось учение Коперника многим интересующимся данной темой было ясно, что Земля — это лишь песчинка в огромном океане космоса. С развитием астрономии выяснили, что расстояние до максимально удаленных объектов Вселенной составляет приблизительно 45,7 млрд световых лет ($4.3×10^{23}$м). И в таких масштабах Вселенная имеет однородную нитевидную структуру. Вещество во Вселенной распределено в нитевидных сверхскоплениях галактик, области между которыми составляют размеры порядка нескольких миллионов световых лет и не имеют светящегося вещества.

Сверхскопление — это группа скоплений галактик, содержащая от двух до двадцати скоплений. Каждое скопление — это гравитационно-связанная система нескольких галактик, имеющая диаметр порядка десятков миллионов световых лет и массу порядка $10^{14}-10^{15}$ солнечных масс.

Рис. 1. Крупномасштабная структура Вселенной.

ФИЗИКА

Аналоги и модификации

Задачи ВОЗ

Характеристики транзистора МП41

Гео-гелиоцентрическая система

У Коперника появилось множество оппонентов. Датский астроном Тихо Браге, не соглашаясь поместить Солнце в центр Вселенной, предложил гео-гелиоцентрическую систему мира (впервые она была описана ещё Гераклидом Понтийским).

Концепция предполагала, что в центре мира находится неподвижная Земля, вокруг которой обращаются Солнце, Луна и звёзды. При этом планеты вращаются вокруг Земли, образуя «Земную систему». Суточное вращение Земли Тихо Браге также отрицал.

Научная революция Просвещения

Географические открытия, морские путешествия, развитие механики и оптики сделали картину мира более сложной и полной. С XVII века началась «телескопическая эпоха»: человеку стало доступно наблюдение за небесными телами на новом уровне и открылся путь к более глубокому изучению космоса. С философской точки зрения мир мыслился как объективно познаваемый и механистичный.

Будущее Вселенной

Наше мироздание началось с маленькой точки. Быстрое развитие и расширение границ привело к образованию необъятных космических просторов. Но, будет ли остановлено расширение? Возможен ли обратный вариант развития, то есть сжатия в ту же исходную плотную точку?

В 1990-х годах, специалисты пришли к выводу, что реальны два варианта будущего Вселенной.

“Сжатие” космических просторов возможно! При достижении максимальных размеров, она может разрушиться. Плотность черной материи может достичь критических показателей, из-за чего будет сжиматься.

Также, существует предположение, что причиной разрушения мироздания могут стать черные дыры. Все звездные скопления могут прекратить передачу энергии и преобразоваться в черные дыры. Если температура космического пространства приблизиться к нулю, возможно их испарение. В результате чего, все разрушиться и наступит логичный конец.

3.2. Лептонная эра.

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов — пионов — в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

Легенда

Оптимальная асимметрия

Асимметрия химических элементов связана с разницей в заряде ядра и количеством электронов на внешней оболочке. Химические элементы с большой асимметрией легко реагируют с системами, имеющими асимметрию противоположного знака. Например, щелочные металлы и галогены очень быстро взаимодействуют между собой. Но именно эта активность обуславливает образование достаточно устойчивых соединений, которые оказываются мало перспективными для дальнейшего развития.

Незначительная асимметрия химических элементов (инертные газы) приводит к тому, что они чрезвычайно трудно вступают в любые взаимодействия и также не способны к прогрессивному развитию.

К длительному усложнению вследствие самоорганизации оказываются способными лишь атомарные системы с оптимальными асимметрией и соответствующей оптимальной активностью. Перспективными в этом отношении являются химические элементы, занимающие срединное положение в периодической системе: фосфор, азот, кислород, сера и углерод. Последнему элементу принадлежит особая роль в химической эволюции благодаря тому, что он, имея 4 электрона на внешней оболочке, может давать очень широкий спектр разнообразных соединений. Число соединений, которые может образовывать углерод, достигает сотен тысяч, а все остальные химические элементы вместе взятые — не более 20 000.

По химическим свойствам к углероду приближается кремний, но его двуокись представляет собой твердое кристаллическое тело (песок). Зато двуокись углерода — это газ, который, благодаря своей подвижности, повсеместно распространен и доступен для многочисленных реакций. В частности, его фиксация в цикле Кальвина при фотосинтезе обеспечивает органическими веществами все другие трофические уровни в экосистемах.

Рулевое управление

Вся линейка грузовиков ГАЗ-53 оснащена рулевым управлением без гидроусилителя. На машинах выпуска до лета 1965 года применялся редуктор, состоящий из глобоидального червячного вала и скользящего по нему ролика с двумя гребнями.

На выходном валу ролика установлена сошка, которая выполняет движение рулевой тяги.

Рулевая колонка не регулируется, в разные годы производства использовались рули с отличиями во внешнем виде. На ранних грузовиках ГАЗ-53Ф применялись рулевые колеса из белого пластика с металлическими спицами. Позднее стал использоваться черный пластиковый руль.

Глава 2. Строение Галактик и Вселенной

Звезды во Вселенной объединены
в гигантские Звездные системы, называемые
галактиками. Звездная система. В составе 
которой, как рядовая звезда находится
наше Солнце, называется Галактикой.

Число
звезд в галактике порядка 1012
(триллиона). Млечный путь, светлая серебристая
полоса звезд опоясывает всё небо, составляя
основную часть нашей Галактики. Млечный
путь наиболее ярок в созвездии Стрельца,
где находятся самые мощные облака звезд.
Наименее ярок он в противоположной части
неба. Из этого нетрудно вывести заключение,
что солнечная система не находится в
центре Галактики, который от нас виден
в направлении созвездия Стрельца. Чем
дальше от плоскости Млечного Пути, тем
меньше там слабых звезд и тем менее далеко 
в этих направлениях тянется звездная
система.

Наша 
Галактика занимает пространство, напоминающее
линзу или чечевицу, если смотреть
на нее сбоку. Размеры Галактики 
были намечены по расположению звезд,
которые видны на больших расстояниях.
Это цефиды и горячие гиганты. Диаметр
Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек
(пк) – расстояние, с которым большая полуось
земной орбиты, перпендикулярная лучу
зрения, видна под углом в 1”. 1 Парсек =
3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013
км.) или 100000 световых лет (световой год
– расстояние пройденное светом в течении
года), но четкой границы у нее нет, потому
что звездная плотность постепенно сходит
на нет.

В
центре галактики расположено ядро
диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное
скопление звезд. Оно находится от нас
на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых
лет) в направлении созвездия Стрельца,
но почти целиком скрыто плотной  завесой
облаков, что препятствует визуальным
и фотографическим обычным наблюдениям
этого интереснейшего объекта Галактики.
В состав ядра входит много красных гигантов
и короткопериодических цефид.

Звезды 
верхней части главной последовательности
а особенно сверхгиганты и классические
цефиды, составляют более молодые население.
Оно располагается дальше от центра и
образует сравнительно тонкий слой или
диск. Среди звезд этого диска находится
пылевая материя и облака газа. Субкарлики
и гиганты образуют вокруг ядра и диска
Галактики сферическую систему.

Масса
нашей галактики оценивается 
сейчас разными способами, равна 2*1011
масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030
кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном
газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде
почти такова же, а масса Галактики в Треугольнике
оценивается в 20 раз мменьше. Поперечник
нашей галактики составляет 100000 световых
лет. Путем кропотливой работы московский
астрономом В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания
на спиральную структуру галактики, причем
оказалось, что мы живем между двумя спиральными
ветвями, бедном звездами.

Существует 
два вида звездных скоплений: рассеянные
и шаровые. Рассеянные скопления 
состоят обычно из десятков или сотен 
звезд главной последовательности
и сверхгигантов со слабой концентрацией 
к центру.

Шаровые же скопления состоят из
десятков или сотен звезд главной 
последовательности и красных гигантов.
Иногда они содержат короткопериодические
цефеиды. Размер рассеянных скоплений 
– несколько парсек. Пример их скопления 
Глады и Плеяды в созвездии 
Тельца. Размер шаровых скоплений
с сильной концентрацией звезд к центру
– десяток парсек. Известно более 100 шаровых
и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике
последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики 
входит еще рассеянная материя,
чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее
из межзвездного газа и пыли. Оно образует
туманности. Туманности бывают диффузными
(клочковатой формы и планетарными. Светлые
они от того, что их освещают близлежащие
звезды. Пример: газопылевая туманность
в созвездии Ориона и темная пылевая туманность
Конская голова.

Хаббл предложил разделить все 
галактики на 3 вида:

1. Эллиптические – обозначаемые  Е (elliptical);
2. Спиральные (Spiral);
3. Неправильные – обозначаемые (irregular).

Модификации

Вечная и бесконечная

Посмотрим еще раз на рисунок, показывающий простейший потенциал скалярного поля (см. выше). В области, где скалярное поле мало, оно осциллирует, и Вселенная не расширяется экспоненциально. В области, где поле достаточно велико, оно медленно спадает, и на нем возникают маленькие флуктуации. В это время происходит экспоненциальное расширение и идет процесс инфляции. Если бы скалярное поле было еще больше (на графике отмечено голубым цветом), то за счет огромного трения оно бы почти не уменьшалось, квантовые флуктуации были бы огромны, и Вселенная могла стать фрактальной.

Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное поле, вместо того чтобы катиться к минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низкорасположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объема новой области. В каждой из таких ровных областей поле тоже может подскочить наверх, что приводит к созданию новых экспоненциально растущих частей Вселенной. В результате этого, вместо того чтобы быть похожей на один огромный растущий шар, наш мир становится похожим на вечно растущее дерево, состоящее из многих таких шаров.

Инфляционная теория дает нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна и выглядит как огромный фрактал.

На рисунке схематически показано, как одна раздувающаяся область Вселенной порождает все новые и новые ее части. В этом смысле она становится вечной и самовосстанавливающейся.

Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут быть различны, равно как и размерности пространства, и типы вакуума.

Этот факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории с одним минимумом потенциальной энергии, скалярное поле катится вниз к этому минимуму. Однако более реалистические версии допускают множество минимумов с разной физикой, что напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Разные части Вселенной также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учета квантовых флуктуаций.

Следующим шагом, основанным на изучении квантовых флуктуаций, является теория самовосстанавливающейся Вселенной. В этой теории учитывается процесс постоянного воссоздания раздувающихся областей и квантовые скачки из одного вакуумного состояния в другое, перебирающие разные возможности и размерности.

Так Вселенная становится вечной, бесконечной и многообразной. Вся Вселенная никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объема Вселенной все время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объемы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.

Это утверждение, в основе которого лежали работы Линде сделанные им в 1986 году, прибрело новое звучание несколько лет назад, когда специалисты по теории струн (лидирующий кандидат на роль теории всех фундаментальных взаимодействий) пришли к выводу что в этой теории возможно 10100–101000 различных вакуумных состояний. Эти состояния отличаются за счет необычайного разнообразия возможного устройства мира на сверхмалых расстояниях.

В совокупности с теорией самовосстанавливающейся инфляционной Вселенной, это означает, что Вселенная во время инфляции разбивается на бесконечно много частей с невероятно большим количеством разных свойств. Космологи называют этот сценарий теорией вечной инфляционной мультивселенной (multiverse), а специалисты по теории струн называют это струнным ландшафтом.

Глава 1. Эволюция Вселенной

Процесс эволюции Вселенной происходит
очень медленно. Ведь Вселенная во много
раз старше астрономии и вообще человеческой
культуры. Зарождение и эволюция жизни
на земле является лишь ничтожным звеном
в эволюции Вселенной. И всё же исследования,
проведенные в нашем веке, приоткрыли
занавес, закрывающий от нас далекое прошлое.

Современные астрономические наблюдения
свидетельствуют о том, что началом 
Вселенной, приблизительно десять миллиардов
лет назад, был гигантский огненный
шар, раскаленный и плотный. Его 
состав весьма прост. Этот огненный шар 
был настолько раскален, что состоял лишь
из свободных элементарных частиц, которые
стремительно двигались, сталкиваясь
друг с другом.

На начальном этапе расширения
Вселенной из фотонов рождались 
частицы и античастицы. Этот процесс 
постоянно ослабевал, что привело
к вымиранию частиц и античастиц. Поскольку
аннигиляция может происходить при любой
температуре, постоянно осуществляется
процесс частица + античастица Þ 2 гамма-фотона
при условии соприкосновения вещества
с антивеществом. Процесс материализации
гамма-фотон Þ частица + античастица мог
протекать лишь при достаточно высокой
температуре. Согласно тому, как материализация
в результате понижающейся температуры
раскаленного вещества приостановилась,
эволюцию Вселенной принято разделять
на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную
и звездную.

Объяснение финальной части эволюции звезд

Для нормальных равновесных звезд описанные процессы эволюции маловероятны. Однако существование белых карликов и нейтронных звезд доказывает реальное существование процессов сжатия звездной материи. Незначительное количество подобных объектов во Вселенной свидетельствует о скоротечности их существования. Финальный этап эволюции звезд можно представить в виде последовательной цепочки двух типов:

• нормальная звезда — красный гигант – сброс внешних слоев – белый карлик;
• массивная звезда – красный сверхгигант – взрыв сверхновой – нейтронная звезда или черная дыра – небытие.

Схема эволюции звезд. Варианты продолжения жизни звезд вне главной последовательности.

Объяснить с точки зрения науки происходящие процессы достаточно трудно. Ученые-ядерщики сходятся во мнении, что в случае с финальным этапом эволюции звезд мы имеем дело с усталостью материи. В результате длительного механического, термодинамического воздействия материя меняет свои физические свойства. Усталостью звездной материи, истощенной длительными ядерными реакциями, можно объяснить появление вырожденного электронного газа, его последующую нейтронизацию и аннигиляцию. Если все перечисленные процессы проходят от начала до конца, звездная материя перестает быть физической субстанцией – звезда исчезает в пространстве, не оставляя после себя ничего.

Межзвездные пузыри и газопылевые облака, являющиеся местом рождения звезд, не могут пополняться только за счет исчезнувших и взорвавшихся звезд. Вселенная и галактики находятся в равновесном состоянии. Постоянно происходит потеря массы, плотность межзвездного пространства уменьшается в одной части космического пространства. Следовательно, в другой части Вселенной создаются условия для образования новых звезд. Другими словами, работает схема: если в одном месте убыло определенное количество материи, в другом месте Вселенной такой же объем материи появился в другой форме.

Конструкция ЗИЛа

А также

Наличие оптимальной сложности

Очень простые молекулы, не имеют достаточно развитой структуры, будут иметь минимальные возможности для дальнейшего развития. Слишком сложные системы также будут иметь небольшую вероятность перехода на более высокий уровень, поскольку уже реализовали свои потенциальные возможности. Только оптимально структурированные химические соединения способны образовывать новые связи с другими молекулами. Например, мономерами белков стали аминокислоты, отличающиеся полифункциональностью. Именно у средних членов ряда органических веществ наблюдаются максимальные возможности для самоорганизации в результате сбалансированного сочетания устойчивости и изменчивости.

Основные элементы строения

Крупномасштабная структура Вселенной поможет определить состав и строение мироздания. В огромных вселенских просторах можно увидеть волокна и пустоты, которые образуют сверхскопления, галактики и звезды. Начальный этап структурирования мироздания начинается с образования водородного газа. Под воздействием гравитационных сил, он преобразовывается в плотные, тяжелые сгустки. Их масса в тысячи раз превышает массу любой из галактик. В тех участках, где было наибольшее скопление водородного газа сформировались мегагалактики. На участках с меньшим количеством газа образовались меньшие звездные дома, наподобие нашего Млечного пути.

Протогалактики,
которые вращались слишком быстро, со временем преобразовались в спиральные
звездные дома. А на тех участках, где наблюдалось медленное вращение,
происходило сжатие водородного газа и сформировались неправильные,
эллиптические галактики.

В этот же
период, звездные дома образовывали сверхскопления, края которых соприкасались.
В каждом из таких формирований находились звезды, туманности, космическая пыль.
Но основным объектом является черная материя.

Проблемы космологии

Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов.

Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В «Теоретической физике» Ландау и Лифшица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «Что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла. Однако вопрос этот продолжает волновать всех нас.

Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей на поверхность сферы, линии, которые были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется плоской? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой Вселенная на самом раннем этапе развития.

Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звезды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность распределения вещества в космических масштабах, окажется, что она одинакова во всех направлениях с точностью до 10–5. Почему же Вселенная однородна? Почему в разных частях Вселенной действуют одни и те же законы физики? Почему Вселенная такая большая? Откуда взялась энергия нужная для ее возникновения?

Сомнения возникали всегда, и чем больше ученые узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались о них не думать, воспринимая большую однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной, явилась проблема реликтовых монополей.

Существование магнитных монополей было предложено в 1931 г. английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Если такие частицы действительно существует, то их магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Почти на полвека эта тема была практически забыта, но в 1975 г. было сделано сенсационное заявление о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Информация не подтвердилась, но сообщение вновь пробудило интерес к проблеме и способствовало разработке новой концепции.

Согласно новому классу теорий элементарных частиц, возникшему в 70-е гг., монополи могли появиться в ранней Вселенной в результате фазовых переходов предсказанных Киржницем и Линде. Масса каждого монополя в миллион миллиардов раз больше массы протона. В 1978–1979 гг. Зельдович, Хлопов и Прескилл обнаружили, что таких монополей рождалось довольно много, так что сейчас на каждый протон приходилось бы по монополю, а значит, Вселенная была бы очень тяжелой и должна была быстро сколлапсировать под своим собственным весом. Тот факт, что мы до сих пор существуем, опровергает такую возможность.

Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется?

Итак, проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Она привлекает к себе исследователей различных специальностей и биологов особенно. Это естественно, поскольку самое главное звено в эволюции Вселенной (с точки зрения разумных существ, конечно же) – жизнь, разум. Какова их судьба в дальнейшем, в ходе эволюции Вселенной? Может быть полное исчезновение, когда вся субстанция Вселенной через миллиарды лет распадется до фотонов и нейтрино, или циклы развития Вселенной будут периодически повторяться?

Схематично изображено развитие Вселенной: чем дальше мы от большого взрыва по времени, тем сильнее отдаляются друг от друга соседние галактики

Общепризнанным является тот факт, что Вселенная около 14 млрд. лет тому назад находилась в состоянии сингулярности, состоянии бесконечно большой плотности. Затем в результате Большого Взрыва она начала расширяться, и это расширение длится и в настоящее время.

Первым делом – откуда мы сейчас, по прошествию 14 миллиардов лет можем знать, что все было именно так, т.е. был “взрыв” и началось расширение вселенной? О расширяющейся Вселенной свидетельствует красное смещение длин волн света, испускаемых галактиками в связи с их удалением от наблюдателя согласно эффекта Доплера.

Это открытие американских астрономов Весто Мелвина Слайфера и Эдвина Пауэлла Хаббла не потеряло свое значение и в наше время. Обнаружено оно было так: В.М. Слайфер и Э.П. Хаббл исследовали скорости движения галактик. Они показали, что ближайшие к нам галактики во Вселенной удаляются от нас со скоростями от нескольких сотен до тысяч км/с., а скорости галактик во Вселенной возрастают с увеличением расстояний до них.

Это доказывает тот факт, что удаляющиеся галактики движутся по расширяющейся спирали (в искривлении их траекторий повинны силы тяготения) и наблюдается эффект, напоминающий вращательное движение тела – угловые скорости материальных точек (галактик) на различном удалении от оси вращения (в данном случае от наблюдателя) равны, а линейные возрастают пропорционально увеличению расстояния от наблюдателя (R2/R1). Иными словами, галактики (и вся материя) ведут себя так, будто разлетаются в разные стороны из некого исходного центра. Зная скорость, не трудно рассчитать время, и прочие начальные данные.

Заключение

Вслед за эпохой нуклеосинтеза следует стадия, играющая
немаловажную роль в космологии – эпоха доминирования
(преобладания) скрытой массы, которая в
зависимости от типа носителя скрытой материи наступает примерно при
температуре
T≈105 К. Начиная с этой
эпохи растут малые возмущения плотности вещества, которые к нашему
времени увеличиваются настолько, что появляются галактики, звезды и
планеты.

Затем наступает эпоха рекомбинации водорода, в процессе которой
протоны и электроны объединяются и образуется водород – самый
распространенный элемент во Вселенной. Эпоха рекомбинации совпадает
с эпохой «просветления» Вселенной: плазма исчезает и вещество
становится прозрачным. Температура этой эпохи известна очень хорошо
из лабораторной физики
T≈4500-3000 К. После
рекомбинации фотоны доходят до наблюдателя, практически не
взаимодействуя с веществом по дороге, составляя реликтовое
излучение, энергетический спектр которого
соответствует в настоящее время спектру абсолютно черного тела,
нагретого до температуры 2,75 К. Разница в температурах
~3000 и ~3 К обусловлена тем, что с эпохи просветления Вселенной
ее размеры увеличились примерно в 1000 раз.

В промежутке между эпохой рекомбинации и нашим временем
расположена еще одна важная эпоха – образование крупномасштабной
структуры Вселенной или образование сверхскоплений
галактик.
Условно эта эпоха приходится на красное
смещение
z≈10, когда температура
реликтовых фотонов падает до 30 К. В промежутке от
z≈10 до
z≈0 лежит эпоха нелинейной
стадии эволюции внегалактических объектов, то есть эпоха обычных
галактик, квазаров, скоплений и сверхскоплений галактик. Но все это
уже за рамками настоящей статьи.